线阵相机镜头和光源选型

 关于线线相机、镜头、光源的选型,欢迎来电探讨线扫描系统的搭建与选型

     随着机器视觉的大规模普及与工业流水线速度、精度的提高,线扫描系统越来越被视觉工程师和最终用户所认可。  

首先,我对线扫描系统做一个大致的介绍。线扫描系统用于被测物体和相机之间有相对运动的场合,通过线扫描相机高速采集,每次采集完一条线后正好运动到下一个单位长度,继续下一条线的采集,这样一段时间下来就拼成了一张二维的图片,也就类似于面阵相机采集到的图片,不同之处是高度可以无限长。接下来通过软件把这幅“无限长”的图片截成一定高度的图片,进行实时处理或放入缓存稍后进行处理。

        视觉部分,包括线扫描相机,镜头,光源,图象采集卡和视觉软件;  

运动控制部分,包括马达, 马达驱动器, 运动控制卡或PLC,为了保证采集的图象与输送带同步,有时还会需要编码器。  

由于线扫描信息量大,所以需要一台高性能的工控机,配置大容量的内存和硬盘,主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽。  

一般来说,一个面阵视觉系统的配置选型是按照这样的顺序进行的。:  

           相机+采集卡->镜头->光源  

线阵项目也类似,根据系统的检测精度和速度要求,确定线阵CCD相机分辨率和行扫描速度,同时确定对应的采集卡,只是需要选线阵相机镜头接口(mount)时同时考虑镜头的选型,最后确定光源的选型。

线阵摄像机(线阵工业相机)的选型  

计算分辩率:幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素
选定相机:幅宽除以像素数得出实际检测精度
每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数
根据以上数值选定相机

如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s
相机:1600/1=1600像素
最少2000像素,选定为2k相机
1600/2048=0.8实际精度
22000mm/0.8mm=27.5KHz
应选定相机为2048像素28kHz相机

线阵镜头的选型  

为什么在选相机时要考虑镜头的选型呢?常见的线阵相机分辨率目前有1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K几种,象素大小有5um,7um,10um,14um几种,这样芯片的大小从 10.240mm (1Kx10um) 到 86.016mm (12Kx7um)不等。很显然,C接口远远不能满足要求,因为C接口最大只能接 22 mm 的芯片,也就是1.3inch。而很多相机的接口为F,M42X1,M72X0.75等,不同的镜头接口对应不同的后背焦(Flange distance),也就决定了镜头的工作距离不一样。  

  

光学放大倍率(β,Magnification)  

确定了相机分辨率和像素大小,就可以计算出芯片尺寸(Sensor size);芯片尺寸除以视野范围(FOV)就等于光学放大倍率。β=CCD/FOV  

  

接口(Mount):  

主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等几种,确定了之后,就可知道对应接口的长度。                 

  

后背焦(Flange Distance)  

后背焦指相机接口平面到芯片的距离,是一个非常重要的参数,由相机厂家根据自己的光路设计确定。不同厂家的相机,哪怕是接口一样,也可能有不同的后背焦。  

  

有了光学放大倍率、接口、后背焦,就能计算出工作距离和节圈长度。选好这些之后,还有一个重要的环节,就是看MTF值是否足够好?很多视觉工程师不了解MTF,而对高端镜头来说就必须用MTF来衡量光学品质。MTF涵盖了对比度、分辨率、空间频率、色差等相当丰富的信息,并且非常详细地表达了镜头中心和边缘各处的光学质量。不仅只是工作距离、视野范围满足要求,边缘的对比度不够好,也要重新考虑是否选择更高分辨率的镜头。  

  

(下图为一个典型的MTF表格,横坐标为像高,也就是到图像中心的距离除以图像半径的百分比;纵坐标为图像对比度。共有三组曲线,依次为三种不同分辨率的情况下的对比度,每一组又有实线和虚线,实线为半径方向的对比度,虚线为切线方向的对比度)  

线扫描线阵光源的选型    

线扫描项目中,常用的光源有LED光源、卤素灯(光纤光源)、高频荧光灯。   

卤素灯也叫光纤光源,特点是亮度特别高,但缺点也很明显--寿命短,只有1000-2000小时左右,需要经常更换灯泡。发光源是卤素灯泡,通过一个专门的光学透镜和分光系统,最后通过光纤输出,光源功率很大,可高达250瓦。卤素灯还有一个名字叫冷光源,因为通过光纤传输之后,出光的这一头是不热的且色温稳定,适合用于对环境温度比较敏感的场合,比如二次元量测仪的照明。用于线扫描的卤素灯,常常在出光口加上玻璃聚光镜头,进一步聚焦提高光源亮度。对于较长的线光源,还用几组卤素光源同时为一根光纤提供照明。   

高频荧光灯,发光原理和日光灯类似,只是灯管是工业级产品,特点是适合大面积照明,亮度较高, 

成本低,但荧光灯最大的缺点是有闪烁、衰减速度快。荧光灯一定需要高频电源,也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率(对线扫描相机来说就是行扫描频率),消除图像的闪烁。专用的高频电源可做到60KHz。  

LED光源是目前主流的机器视觉光源。特点是寿命长,稳定性好,功耗非常小。  

1,直流供电,无频闪。
2,专业的LED光源寿命非常长。(如美国AI的寿命50000小时亮度不小于50%)  

3,亮度也非常高,接近卤素灯的亮度,并且随着LED工艺的改善不断提高。(目前美国AI线光源亮度高达90000LUX)  

3,可以灵活地设计成不同结构的线光源,如直射、带聚光透镜、背光、同轴以及类似于碗状的漫反射线光源。  

4,有多种颜色可选,包括红、绿、蓝、白,还有红外、紫外。针对不同被测物体的表面特征和材质,选用不同颜色也就是不同波长的光源,获得更佳的图像。  

  线扫描相机、光源与被测物体之间的角度分析                                       

以玻璃检测为例,需要检测的缺陷有:脏点、结石、杂质、气泡、刮伤,裂纹,破损等,其大致可以分成两类,一类在玻璃表面的,一类是玻璃内部的。不同的缺陷,在图象中表现的出的灰度不一样,有黑的,有白的,也有灰的,并且在不同的光源照射角度或者相机接受角度,缺陷的对比度会变化,如在一个角度时,某一种缺陷的对比度最好,但其他缺陷可能比较次,甚至根本看不到。这样也就需要大量的分析、组合,才能确定最后的光源选型和相机、光源和被测物体之间的相对角度。如下图所示,相机、光源在不同角度安装,分别测试。  

结果发现:  

脏点,正面光源或背光都较容易凸现;  

结石和杂质,需要正面接近法线的照明或背面穿透照明;  

气泡,形状不固定,且要分析形成的原因以及方向,采用背面照明;  

刮伤和破损,正面低角度照明容易凸现。  

裂纹,需要背面侧照   

而且,以上缺陷并不是独立的,而是互相影响。统计、分析如下。  

综合以上因素,最后选用背光斜射和正面照射结合,相机接近法线方向安装。   

光源、镜头的调试   

线扫描系统,对光源和相机来说,有效的工作区域都是一个窄条。也就是保证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行,否则只能拍到相交叉的一个亮点。所以机械安装、调试是比较费工夫的。同时由于幅宽比较宽,对于线光源有两个特别的要求,就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异,会直接影响图象的亮度高低,这一点LED比卤素灯更好控制。出光部分的直线性,取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。         

由于现场环境比较复杂,客户总是希望花多一些时间去现场调试。但如我们前面讲到的相机、光源、被测物体的相对角度测试、分析,许多因素会直接影响到检测效果。所以我们建议先做实验室测试,有了方案之后,再去现场调试,这样会最有把握,也能提高调试效率。毕竟服务也是一种成本。  

        线扫描系统除了机械结构之外, 其主要组成部分还包括机器视觉和运动控制。

posted @ 2017-06-27 00:14  pupil_小龙  阅读(6505)  评论(0编辑  收藏  举报